8t液壓挖掘機工作裝置的運動仿真

王健 王虎奇

摘? 要：使用Creo2.0軟件對挖掘機工作裝置進行三維建模，基于動力學分析軟件ADAMS2016建立虛擬樣機，并進行運動仿真，設(shè)計相關(guān)的step函數(shù)，實現(xiàn)挖掘機工作裝置某些特殊工況，進一步得出整個工作裝置的軌跡包絡(luò)圖，從而獲得一些重要工作參數(shù)如最大挖掘半徑、最大挖掘深度、最大卸載高度等.同時建立工作裝置的數(shù)學模型，并通過MATLAB軟件進行編程計算，來探索挖掘機的工作性能及運動規(guī)律.仿真所得的數(shù)據(jù)可以為后期優(yōu)化改進提供理論依據(jù)和設(shè)計參考.

關(guān)鍵詞：Creo2.0;ADAMS2016;工作裝置;數(shù)學模型;運動仿真

中圖分類號：TU621，TH137? ? ?DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.01.014

0? ? 引言

隨著計算機輔助設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，虛擬樣機技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域[1].挖掘機作為一種工程中被廣泛使用的機械，使用虛擬樣機進行仿真，可以縮短新產(chǎn)品研制和開發(fā)，提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，降低產(chǎn)品的研發(fā)成本，進行創(chuàng)新性設(shè)計[2].而工作裝置作為挖掘機重要組成部分，其性能優(yōu)劣不僅直接影響挖掘機的生產(chǎn)效率，還決定整機的可靠性[3].實物樣機高昂的成本使得液壓挖掘機的研發(fā)極具風險，困難重重， 因此，工程師可在計算機上建立挖掘機的三維實體模型，并對模型進行分析.可通過修改不同參數(shù)直觀快速地觀察、研究車輛的運動和工作狀態(tài)、動態(tài)顯示仿真數(shù)據(jù)結(jié)果，從而達到降低產(chǎn)品成本、縮短開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率[4].

為了獲得挖掘機工作裝置的一些重要參數(shù)，做進一步的優(yōu)化設(shè)計，筆者使用軟件建立虛擬樣機并進行運動仿真，以其建立數(shù)學模型對運動規(guī)律進行探索.

1? ? 挖掘機的工作裝置的運動分析

挖掘機工作裝置采用連桿機構(gòu)原理[5]，是以3組液壓缸為原動件的三自由度連桿機構(gòu)，通過調(diào)整各組液壓缸伸縮長度的變化，進而使得鏟斗完成不同工況下的工作任務(wù).基于挖掘機工作裝置運動原理，以各個液壓桿的變化量為自變量，以相鄰兩桿組間關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)量[6]為因變量，再通過關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)量與位置坐標間的數(shù)學關(guān)系，來建立挖掘機工作裝置的數(shù)學模型，其示意圖如圖1所示.

挖掘機工作裝置各鉸點的位置可以由圖1的A、B、C、D四點的位置坐標所表示，分別為：

鏟斗、斗桿液壓桿與斗桿之間是由一個四桿機構(gòu)相連接的，其連接部分示意圖如圖2所示.通過液壓桿L15的伸縮變化，在連桿與搖桿銷接的鉸點施加力矩，引發(fā)四桿機構(gòu)的變形，從而使得鏟斗產(chǎn)生繞鉸點C旋轉(zhuǎn)運動.由于四桿機構(gòu)的位置變化復(fù)雜，需要更為復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，則式（2）中θ3與L15[7]的關(guān)系可以由式（3）表示：

使用MATLAB軟件進行編程以及數(shù)學模型的數(shù)據(jù)計算，通過改變液壓桿的伸縮量，可以得出關(guān)鍵點的位置坐標，以此來檢驗數(shù)學模型的正確性.

2? ? 工作裝置動力學模型的建立及其仿真

2.1? ?工作裝置的簡化約束模型

導(dǎo)入到ADAMS中的模型很好地保留了原來所建模型的各種屬性，但是原有模型各個部件間的裝配關(guān)系已不復(fù)存在，各零件只是按原來的位置關(guān)系獨立地存在于ADAMS環(huán)境中[8].為了實現(xiàn)進一步的操作，必須將各個部件通過約束副重新組裝起來.

挖掘機工作裝置的重要組成部分如圖3所示，其運動方式主要由液壓缸與液壓桿的平移運動以及各個桿件間的旋轉(zhuǎn)運動組成，為了模擬挖掘機的工作方式，需要在各個部件間設(shè)置相對應(yīng)的約束副，所定義的約束副如表1所示.

2.2? ?模型的仿真

為了讓模型完成既定的動作，需要在定義的運動中輸入對應(yīng)的函數(shù).ADAMDS軟件通常采用的函數(shù)是step函數(shù)，它的表述形式是：step（t，t0，x（t0），t1，? ?x（t1）），其中t表示函數(shù)自變量，t0表示自變量的初始值，x（t0）表示自變量函數(shù)的初始值，t1表示自變量的結(jié)束值，x（t1）表示自變量函數(shù)的結(jié)束值[9].此次仿真選取自變量為時間，自變量函數(shù)為液壓桿的伸縮長度.

2.2.1? 各運動的step函數(shù)

此仿真過程模擬了挖掘機由挖掘到提臂回轉(zhuǎn)到卸料再到空斗返回的全過程，所定義的具體工況與step函數(shù)如下所示：

1）預(yù)調(diào)整：斗桿與鏟斗液壓缸處于全縮狀態(tài)，動臂液壓缸處于全伸狀態(tài).

2）挖掘工況此工況：①動臂挖掘工況：動臂開始收縮至最大行程，可以得到最大挖掘半徑.②斗桿挖掘工況：收縮部分鏟斗液壓桿，使其鏟齒與斗桿共面，從而可以得到最大挖掘深度[10].

3）提臂回轉(zhuǎn)工況：全縮鏟斗液壓桿進行裝載，然后全縮斗桿以及動臂液壓桿.

4）卸料工況：鏟斗達到最大卸料高度時，全縮鏟斗液壓桿，完成卸料.

5）空斗返回工況：收縮各液壓缸，使工作裝置到達初始位置.

模型仿真過程中所定義的具體step函數(shù)及齒尖在仿真過程中所作的x與z 方向的位移如表2、圖4所示.

2.2.2? 工作裝置的仿真運動軌跡及后處理結(jié)果

1）工作裝置斗桿挖掘過程的運動仿真

在此仿真過程中，不僅可以模擬出挖掘機的一些重要性能參數(shù)，更重要的是能找出鏟尖仿真至任意位置時液壓桿對應(yīng)的伸縮量.通過調(diào)整上面step函數(shù)，使鏟尖到達斗桿全縮，鉸點B、C、D位于同一直線的位置，之后再改變動臂液壓桿伸縮量，使其到達z方向位移為0的位置.最后調(diào)整斗桿的step函數(shù)來模擬斗桿挖掘工況，通過在鏟尖設(shè)計方向與大小隨著鏟斗位置變化的切向力與法向力的step函數(shù)，來模擬挖掘機斗桿挖掘的挖掘阻力，同時在鏟斗重心處設(shè)計一個始終豎直向下的力的step函數(shù)，來模擬物料的重力變化.其中所設(shè)計的斗桿挖掘step函數(shù)及關(guān)鍵鉸點的外載荷變化如圖5所示.

如圖5所示，在19.5～22.0 s內(nèi)，斗桿挖掘的挖掘阻力和物料重力隨著鏟斗關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)角度的增加而逐漸增加，此時各個關(guān)鍵鉸點所受到的外力載荷也在不斷增加，其中動臂平臺鉸接點的受力變化最為顯著;在22.0～25.0 s內(nèi)，鏟斗挖掘物料結(jié)束開始提臂，挖掘阻力開始不斷減小，物料重力保持不變，各個關(guān)鍵鉸點的外力載荷開始不斷減小.

2）工作裝置運動全過程運動仿真

通過軟件的后處理模塊所得到的x、z方向的位移圖，可得到的如圖6所示的一些常用數(shù)據(jù)，其具體數(shù)據(jù)如表5所示.

3）仿真結(jié)果、模型計算結(jié)果與實際設(shè)計值的數(shù)據(jù)對比

數(shù)據(jù)對比如表6所示，由表6可以統(tǒng)計出：實際設(shè)計值、數(shù)學模型計算值與仿真值對比所產(chǎn)生誤差在0.91%之內(nèi)，符合重型機械設(shè)計標準，因此仿真所得的數(shù)據(jù)可以作為設(shè)計的參考.

3? ? 結(jié)論

基于D-H矩陣原理構(gòu)建工作裝置數(shù)學模型，利用MATLAB軟件編程計算，再使用ADAMS軟件進行仿真，最后所得的結(jié)果與實際設(shè)計值相比較.結(jié)果表明：ADAMS運動仿真與實際設(shè)計的參數(shù)間沒有太大誤差，與數(shù)學模型計算值間的對比也檢驗了所建立數(shù)學模型的正確性.同時還仿真了斗桿挖掘工況，得出了斗桿挖掘每個瞬時各個關(guān)鍵鉸點外載荷以及作用力最為明顯的位置.上述的過程不僅可以檢驗仿真結(jié)果的準確性，而且可以深化對工作裝置運動學原理的理解，所建立的正確數(shù)學模型還可以為挖掘機的改良開發(fā)提供了研究依據(jù)，為進一步的優(yōu)化改進提供了理論基礎(chǔ).

參考文獻

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